Результат интеллектуальной деятельности: БЕСКАРКАСНЫЙ СКВАЖИННЫЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при добыче газа и нефти.

Известен щелевой фильтр по патенту РФ на изобретение №2445146. Изобретение относится к устройствам фильтрования жидких сред и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная очистка маловязких жидких сред, например воды, керосина, бензина, ацетона, дизельного топлива и других, от механических примесей. Щелевой фильтр содержит трубу, фильтровальный участок которой имеет перфорацию в виде отверстий, фильтрующий элемент в виде навитой по спирали проволоки, пружину. Фильтрующий элемент установлен концентрично трубе между неподвижно закрепленным нижним опорным элементом в виде стакана и подвижным двусторонним упором в кольцевых зазорах между наружным диаметром трубы и внутренними диаметрами нижнего опорного элемента и подвижного двустороннего упора, с опорой на кольцевую площадку-каждого. Между подвижным двусторонним упором и верхним подвижным упором в кольцевые зазоры между наружным диаметром трубы и внутренними диаметрами упоров с опорой на кольцевую площадку каждого установлена пружина, первоначальное усилие которой превышает упругую деформацию пружины фильтрующего элемента, что обеспечивает плотное прилегание витков проволоки фильтрующего элемента. Недостатком щелевого фильтра является отсутствие нормированного фильтрующего зазора.

Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №68585. Фильтр включает несущий каркас, выполненный из перфорированной трубы и щелевого фильтрующего элемента выполненного из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, отличающийся тем, что под продольными элементами установлен сетчатый фильтрующий элемент в виде, по меньшей мере, одной фильтрующей сетки. Сетки закреплены фиксирующей проволокой, намотанной по спирали. Между фильтрующей сеткой и перфорированной трубой выполнен дренажный слой. Дренажный слой выполнен из проволоки, намотанной по спирали. Навивка проволоки в дренажном слое отличается по направлению от навивки фиксирующей проволоки. Дренажный слой выполнен из сетки. Диаметр проволоки дренажного слоя выполнен меньше, чем высота поперечного сечения проволоки щелевого фильтрующего элемента. Диаметр проволоки фильтрующей сетки выполнен меньше, чем диаметр проволоки дренажного слоя. Дренажный слой зафиксирован направляющими кольцами. Фильтрующие сетки и фиксирующая проволока закреплены направляющими кольцами. Направляющие кольца выполнены из полосы стального листа. В начале и в конце щелевого фильтрующего элемента установлены ограничительные кольца. Недостатками фильтра являются низкая надежность и быстрый износ фильтрующего элемента.

Известен скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №70300. Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлен щелевой фильтрующий элемент, содержащий, в свою очередь, продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, отличающийся тем, что концентрично щелевому фильтрующему элементу установлен внешний щелевой фильтрующий элемент, имеющий аналогичную конструкцию, а зазор между ними заполнен фильтрующим наполнителем. Между щелевыми фильтрующими элементами установлены дистанционные кольца. Зазор между витками внешнего щелевого элемента не менее чем зазор между витками внутреннего щелевого элемента. Внешний щелевой элемент выполнен из проволоки большего поперечного сечения, чем внутренний щелевой элемент. Внешний щелевой элемент выполнен из проволоки большего поперечного сечения, чем внутренний щелевой элемент. Размер частиц гравийной набивки превышает зазор между витками фильтрующего элемента в 1, 2…10 раз. Фильтрующий наполнитель выполнен из шариков. Шарики выполнены из нержавеющей стали. Шарики выполнены из стекла. Шарики выполнены из полимерного материала. Фильтрующий наполнитель выполнен из песка. Недостатком фильтра является низкая надежность и быстрый износ фильтрующего элемента.

Известен щелевой фильтр с проволочным фильтрующим элементом по патенту РФ на изобретение №2378494. Изобретение относится к горной промышленности, а именно к нефтегазодобывающей, и может быть использовано при освоении нефтяных и газовых скважин. Щелевой фильтр с проволочным фильтрующим элементом содержит перфорированную трубу с ниппельной и муфтовой частями, концентрично которой выполнен фильтрующий элемент из намотанной по спирали проволоки, соединенной с проволочными продольными стрингерами. При этом проволока в спирали уложена виток к витку, как минимум, на одной из соприкасающихся сторон проволоки выполнена обеспечивающая фильтрующий зазор тангенциальная или пересекающаяся насечка. Техническим результатом является упрощение технологии изготовления и уменьшение кольматации фильтра при добыче нефти или газа. Недостатком фильтра является высокое гидравлическое сопротивление и низкая пропускная способность.

Известен щелевой скважинный фильтр по патенту РФ на полезную модель №71694. Фильтр содержит перфорированную трубу, на которой установлены продольные опорные элементы, на внешней поверхности которых намотана проволока с образованием зазоров между витками, отличающийся тем, что проволока приварена или припаяна к продольным элементам, а соотношение шага установки продольных элементов к их высоте выполнено в диапазоне от 1,0 до 10. Между трубой и продольными опорными элементами установлена фильтрующая сетка. Между опорными продольными элементами и фильтрующей сеткой намотана проволока, выполняющая роль дренажного слоя. Между трубой и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка. Между продольными опорными элементами и фильтрующей сеткой установлена дренажная сетка.

Недостатком фильтра является низкая надежность и быстрый абразивный износ фильтрующего элемента.

Известен скважинный фильтр по патенту РФ на изобретение №2507384, МПК Е21В 43/08, опубл. 20.02.2014, прототип.

Этот щелевой скважинный фильтр содержит перфорированную несущую трубу и щелевой фильтрующий элемент, выполненный из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, причем поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, выполнено пятиграненным, одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и образует его наружную поверхность, а каждая боковая сторона выполнена с двумя гранями, верхние образуют фильтрующий зазор, а нижние сходятся образуя острый угол.

Недостатки: низкая прочность проволоки фильтрующего элемента, что приводит к изменению зазоров при спуске скважинного фильтра, и быстрый абразивный износ «самого узкого места» фильтрующего элемента.

Решение указанных задач достигнуто в бескаркасном скважинном фильтре, включающем два ниппеля и, по меньшей мере, один щелевой фильтрующий элемент, выполненный между ограничительными кольцами из проволоки, намотанной на продольные элементы по спирали, отличающийся тем, что оба ниппеля приварены к ограничительным кольцам, при этом поперечное сечение проволоки, намотанной по спирали, выполнено треугольным, причем одна из граней проволоки выполнена параллельно продольной оси фильтра и соединена с продольными элементами, а два боковых угла образуют калиброванный зазор.

Поперечное сечение продольных элементов может быть выполнено треугольным. Поперечное сечение продольных элементов может быть выполнено круглым. Поперечное сечение продольных элементов может быть выполнено прямоугольным.

Продольные элементы могут быть уложены меньшей стороной прямоугольника их сечения по радиусу перпендикулярного сечения фильтра. Продольные элементы могут быть уложены большей стороной прямоугольника их сечения по радиусу перпендикулярного сечения фильтра. Продольные элементы могут быть уложены большей стороной прямоугольника их сечения под углом к радиусу перпендикулярного сечения фильтра.

Зазоры между витками проволоки могут быть выполнены уменьшающимися по радиусу. Зазоры между витками проволоки могут быть выполнены постоянными по радиусу. Зазоры между витками продольных элементов могут быть выполнены увеличивающимися по радиусу.

На боковых гранях продольных элементов с обеих сторон могут быть выполнены дистанционные выступы. На боковых гранях продольных элементов с одной стороны могут быть выполнены дистанционные выступы.

Продольные элементы могут быть уложены на промежуточные кольца.

На проволоку может быть нанесено покрытие.

Покрытие может быть выполнено коррозионностойким.

Покрытие может быть выполнено гидрофобным.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями изобретения. Новизна технического решения и изобретательский уровень подтверждаются проведенными патентными исследованиями. Промышленная применимость обусловлена тем, что при изготовлении щелевого скважинного фильтра применяются недефицитные материалы и известные технологии.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…28, где:

на фиг. 1 приведен скважинный фильтр,

на фиг 2 приведен вид А,

на фиг. 3 приведено поперечное сечение проволоки, имеющей шестигранное поперечное сечение,

на фиг. 4 приведено поперечное сечение проволоки, имеющей шестигранное поперечное сечение с радиусными скруглениями углов,

на фиг. 5 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками уменьшается по радиусу,

на фиг. 6 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками имеет постоянную величину,

на фиг. 7 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, зазор между витками увеличивается по радиусу, меньшая сторона трапеции выполнена снаружи,

на фиг. 8 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения, оптимальный вариант,

на фиг. 9 приведена проволока треугольного поперечного сечения, первый вариант,

на фиг. 10 приведена проволока треугольного поперечного сечения, второй вариант,

на фиг. 11 приведена проволока прямоугольного поперечного сечения, первый вариант,

на фиг. 12 приведена проволока прямоугольного поперечного сечения, второй вариант,

на фиг. 13 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения с уступами на обеих боковых гранях,

на фиг. 14 приведена проволока трапециевидного поперечного сечения с уступами на одной боковой грани,

на фиг. 15 приведен фильтрующий элемент с промежуточными силовыми кольцами,

на фиг. 16 показан разрез В-В, первый вариант,

на фиг. 17 показан разрез В-В, второй вариант,

на фиг. 18 показан разрез В-В, третий вариант,

на фиг. 19 показан разрез В-В, четвертый вариант,

на фиг. 20 показан разрез В-В, пятый вариант,

на фиг. 21 показан разрез В-В, шестой вариант,

на фиг. 22 представлен скважинный фильтр с двумя фильтрующими элементами,

на фиг. 23 приведен разрез С-С,

на фиг. 24 приведено ограничительное кольцо,

на фиг. 25 приведен вид C,

на фиг. 26 приварка продольного элемента к ограничительному кольцу, 1 вариант,

на фиг. 27 приварка продольного элемента к ограничительному кольцу, 2 вариант,

на фиг. 28 приведен процесс приварки проволоки к продольным элементам.

Бескаркасный скважинный фильтр (фиг. 1…28) включает два ниппеля 1 и 2 и муфту 3 для установки в состав обсадной колонны или колонны НКТ и по меньшей мере один фильтрующий элемент 4, установленный между ограничительными кольцами 5 и приваренный к ниппелям 1 и 2 сварочным швом 6.

Труба для изготовления ниппелей 1 и 2 поставляется по ГОСТ 633-80 Трубы насосно-компрессорные и муфты к ним. Технические условия.

Фильтрующий элемент 4 выполнен из намотанной на продольные элементы 7 по спирали проволоки 8 (фиг. 2) с зазором между рядами δ1 и соединенной с продольными элементами 7 точечной сваркой 9.

На проволоку 8 может быть нанесено покрытие. Покрытие может быть выполнено коррозионностойким, например хром или никель. Покрытие может быть выполнено гидрофобным, например фторопласт.

Рекомендуемая величина зазора δ1

δ1=0,1 мм …2 мм.

Поперечное сечение проволоки 8, намотанной по спирали, может быть выполнено круглым (фиг. 2) или шестигранным (фиг. 3), при этом углы шестигранника могут быть скруглены радиусом r (фиг. 4).

Возможно выполнение продольных элементов 7 трапециевидными (фиг. 5…7).

Зазор δ2 между рядами должен быть выполнен больше чем δ1 для того, чтобы повысить проницаемость фильтрующего элемента 4.

δ2=(2…10)δ1

При этом зазор δ2 между рядами может уменьшаться по радиусу (фиг. 5) или иметь постоянную величину (фиг. 6) или увеличиваться (фиг. 7).

Большее основание трапеции может быть выполнено по радиусу и обращено наружу (фиг. 5 и 6) или внутрь (фиг. 7).

На фиг. 8 приведен оптимальный вариант приварки продольного элемента. При этом необходимо соблюсти следующие соотношения:

Радиус большей стороны трапеции сечения должен быть равен внешнему радиусу фильтра

R1=Rф

Радиус меньшей стороны трапеции сечения должен быть равен радиусу канавки ограничительного кольца

R2=R кол.

В этом случае можно провести более качественную приварку продольных элементов 7 к ограничительным кольцам 5 и проволоки 8 фильтрующего элемента к продольным элементам 7.

Возможно выполнение проволоки 8 треугольного сечения, при этом одна из сторон треугольника 10 может быть выполнена параллельно оси фильтра и образует его внешнюю поверхность (фиг. 9), или одна из сторон треугольника 10 выполнена параллельно продольной оси фильтра ОО и прилегает к продольным элементам 7 (фиг. 10).

Возможно выполнение проволоки 8 прямоугольного поперечного сечения (фиг. 11 и 12). При этом возможны два варианта; большая сторона 11 поперечного сечения проволоки 8 расположена параллельно продольной оси фильтра ОО (фиг. 11) или перпендикулярно (фиг. 12).

Проволока 8 может быть выполнена из углеродистой стали из проволоки круглого сечения методом холодной прокатки. Диаметр исходной проволоки от 2 до 4 мм. Зазор 51 от 0,1 мм до 2 мм.

Возможные различные варианты исполнения продольных элементов 7 приведены на фиг. 13…18.

Продольные элементы 7 могут иметь контактирующие выступы 12 и 13 с обеих сторон (фиг. 19) или только 12 с одной стороны (фиг. 20). Они увеличивают жесткость фильтрующего элемента 4 на изгиб и кручение. Это важно, так как фильтрующий элемент 4 заменяет каркас.

Наиболее радикально жесткость фильтрующего элемента может быть увеличена применением промежуточных колец 14, на которые установлены продольные элементы 7 (фиг. 21).

Скважинный фильтр может иметь несколько фильтрующих элементов 4 (фиг. 22), при этом они ограничены с обеих сторон ограничительными кольцами 5, присоединенными к ним при помощи сварочных швов 6, и соединены между собой сварочным швом 15. Продольные элементы 7 крепятся к ограничительным кольцам 4 сварочным швом 16 (фиг. 23).

На фиг. 24 и 25 приведено дистанционное кольцо 5, которое содержит с обеих сторон канавки 17 и 18 и прорези 19 под канавкой 18, в которые укладываются продольные элементы 7 и сваривают сварочным швом 16 (фиг. 26 и 27). Вариант, приведенный на фиг. 27 наиболее оптимальный с точки зрения прочности фильтра и его технологичности, так как D3=D4, то при контактной сварке не будет наблюдаться прогиба продольных элементов 7.

Дистанционное кольцо 4 выполнено в виде цилиндрической втулки, на которой, как уже упоминалось с обеих сторон снаружи выполнены канавки 17 и 18, ниже канавки 18 выполнены прорези 19 для укладки продольных элементов 7 (фиг. 26). С одной стороны ограничительного кольца 5 выполнена внутренняя канавка 20 с центрирующим поясом 21, а с этого же торца - фаска 22 для сварки (фиг. 27).

При этом диаметр расположения продольных элементов равен внутреннему диаметру ограничительного кольца 5

D4=D3

На фиг. 28 приведена сборка фильтрующего элемента 4 при помощи станка, который содержит керамическую трубу 23, установленную в патроне 24 на центрах 24.

Станок содержит суппорт 25, и контактный ролик 26, и скользящий контакт 27. Кроме того в оборудование входит сварочный трансформатор 28, который проводами 29 соединен с контактным роликом 26 и скользящим контактом 27. Вне станка установлена катушка 30 с проволокой 8.

РАБОТА СКВАЖИННОГО ФИЛЬТРА

Бескаркасный скважинный фильтр работает следующим образом (фиг. 1…28).

Отдельные скважинные фильтры собирают в колонну на обсадных трубах или в составе подвески хвостовика, спускают в продуктивный горизонт. Газ или нефть проходят сначала через зазоры между продольными элементами δ2 (фиг. 16…18), потом через фильтрующий зазор δ₁ (фиг. 2) фильтрующего элемента 4. Механические частицы больше фильтрующего зазора δ₁ остаются снаружи фильтрующего элемента 4, а более мелкие или равные проходят внутрь него и с газом или с нефтью поднимаются на поверхность.

Бескаркасный фильтр имеет меньший вес по сравнению с другими фильтрами.

По сравнению с каркасным фильтром, имеющим перфорированный каркас, проницаемость через щели δ2 на порядок выше. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление скважинного фильтра и увеличить дебит нефти или газа.

Отсутствие застойных полостей в фильтрующих элементах 4 приводит к тому, что фильтр засоряется медленнее и легко промывается.

В случае применения скважинного фильтра с продольными элементами 7, установленными под углом к радиальной плоскости (фиг. 18), происходит закрутка добываемого продукта и сепарация посторонних примесей.

Для обратной промывки наиболее оптимален вариант с увеличением зазора δ1 (фиг. 9) и δ2 (фиг. 6) по радиусу. Это способствует выносу посторонних частиц в отличие от традиционно применяющихся вариантов скважинных фильтров, например каркасных щелевых или сетчатых.

При промывке щелевого скважинного фильтра посторонние частицы выходят через зазор δ1 и δ2 наружу.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить пропускную способность фильтра на порядок.

2. Снизить вес фильтра в 2…3 раза.

3. Повысить надежность и долговечность скважинного фильтра по сравнению с прототипом.

4. Обеспечить в течение длительного времени необходимый уровень фильтрации за счет стабильно зазора.

5. Обеспечить фильтрацию газа и нефти от механических примесей.

6. Повысить устойчивость фильтрующего элемента к абразивному износу.

7. Уменьшить деформацию щелевого фильтрующего элемента при спуске фильтра в скважину.

8. Улучшить очистку фильтра.

9. Сделать конструкцию фильтра более технологичной.