Результат интеллектуальной деятельности: Фильтр гидравлического насоса

Изобретение относится к строительству нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для удержания механических примесей в составе бурового или тампонажного растворов.

Известна конструкция фильтра в виде трубчатого перфорированного каркаса (см. Гаврилко В.М. Фильтры буровых скважин. / Издательство второе. / Москва, "Недра", 1976 год, стр. 5-8).

Конструкция фильтра представляет собой трубу, на которой выполнен ряд перфорационных отверстий, размещенных в шахматном порядке. На верхнем конце трубы установлен соединительный элемент, а нижний конец снабжен присоединительной резьбой, для монтажа на ней пробки-заглушки.

Сам фильтр устанавливают в осевом канале бурильной колонны труб. Поток промывочной жидкости или бурового раствора подается внутрь трубного фильтра и через перфорационные отверстия в его теле истекают в кольцевой зазор между стенкой трубы бурильной колонны и наружной поверхностью фильтра. Количество перфорационных отверстий и их расстановка определяются исходя из расчетного расхода бурового раствора.

Шлам и механические примеси оседают над заглушкой в осевом канале фильтра.

К недостаткам конструкции следует отнести:

- при накоплении шлама в осевом канале трубного фильтра происходит перекрытие подачи бурового раствора к нижним рядам отверстий, с соответствующим увеличением скорости протекания потока через оставшиеся отверстия, что приводит к ускоренному абразивному износу конструкции и прекращению процесса бурения.

Известна конструкция фильтра, устанавливаемого на всасывающей линии буровых насосов (см. Ахмадишин Ф.Ф. Опытное применение фильтра на всасывающей линии буровых насосов. / Ф.Ф. Ахмадишин, В.Е. Пронин, С.Л. Багнюк. / Сборник научных трудов ТатНИПИнефть. Выпуск №LXXX, Москва, 2012 год, стр. 182-186.

Фильтр состоит из перфорированной трубы с наконечником на нижнем конце и отверстием на верхнем для обеспечения съема фильтра с места установки.

На наружной поверхности фильтра установлено упорное кольцо, которым он опирается на внутренний выступ в осевом канале трубопровода.

Диаметр перфорационных отверстий на трубе принимается равным 4÷5 мм, с расположением отверстий в шахматном порядке.

Недостатком конструкции является низкая эффективность работы, заключающая в быстром забивании перфорационных отверстий кордным волокном и прохождением части из этих волокон в секции турбобура, с их забиванием и остановкой процесса бурения.

Это связано также с наличием застойных зон и изменением режима течения бурового раствора в перфорационных отверстиях, с изменением в большую сторону скорости и интенсификации абразивных процессов.

Известна конструкция фильтра для бурильной колонны (см. патент РФ №2016186, МПК E21B 21/00. Фильтр с перепускным узлом. Заявлен 03.06.1991 год. Опубликован 15.07.1994 г.), предназначенная для очистки бурового раствора от механических примесей, при его подаче к гидродвигателю или долоту. Устройство состоит из полого корпуса, с резьбами для подсоединения, фильтрующий модуль, трубчатый кожух, в осевом канале полого корпуса, с образованием кольцевой полости для приема механических примесей.

К недостаткам конструкции следует отнести то, что:

- при накоплении осадка в кольцевом зазоре происходит изменение режима течения технологической жидкости в сторону увеличения скорости и интенсификации процессов абразивного износа;

- при накоплении механических частиц в кольцевом зазоре имеет место перекрытия живого сечения перфорационных отверстий шламом, что приведет к росту перепада давления на фильтрующей трубе и ее смятию. При этом чем больше ее скважность, тем меньший перепад давления необходим для ее смятия.

Изменение направления подачи изнутри фильтрующей трубы в кольцевой зазор, не предусмотрено.

Наличие механического контакта с внутренней поверхностью бурильной трубы, по мнению авторов, приводит к вибрационному воздействию на поток технологической жидкости, что способствует очистке перфорационных отверстий от механических примесей.

Известна конструкция фильтра бурильной колонны (см. патент РФ №2429342, МПК E21B 43/08. Фильтр для бурильной колонны с гидравлическим забойным двигателем. Заявлен 28.12.2009 г., опубликован 20.09.2011 г.), принятая авторами за прототип.

Фильтр для бурильной колонны включает полый корпус, с резьбами на концах, фильтрующий модуль для бурового раствора, трубчатый кожух, установленный в полом корпусе, образующий полость для приема и накопления механических частиц. Фильтрующая труба имеет ряд перфорационных отверстий, скрепленную входным концом с отсекателем.

Входную и выходную втулки, с кольцевыми канавками для установки уплотнительных колец.

Выходная втулка снабжена центрирующим пояском для контакта и опоры на сужение в полом корпусе.

На торце обтекателя закреплен вытяжной элемент в виде крюка.

Устройство вводится в осевой канал бурильной колонны труб до установки на торцовую поверхность в сужении.

Ниже к устройству подсоединяется гидродвигатель с долотом для бурения скважин.

Поток бурового раствора по колонне бурильных труб подается через фильтрующий модуль в обход обтекателя в кольцевой зазор и через перфорационные отверстия поступает внутрь фильтрующей трубы и далее поступает в полость гидродвигателя. Механические примеси-окалина, металлические, полимерные и резиновые частицы оседают в кольцевом зазоре, при полном заполнении которого происходит скачок давления. Это является сигналом для извлечения фильтрующего модуля из скважины вместе с бурильной колонной труб.

К недостаткам конструкции следует отнести:

- сложность конструкции, с уменьшением кольцевого зазора между фильтрующей трубой и полым корпусом, за счет ввода трубчатого кожуха, что соответственно уменьшает и объем кольцевого пространства для накопления шлама;

- выполнение фильтрующей трубы цилиндрической приводит к неравномерной подаче бурового раствора к каждому перфорационному отверстию по высоте;

- забивание перфорационных отверстий шламом не обеспечено конструктивными устройствами для их очистки, при формировании арочных структур.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:

- возбуждение гидродинамических импульсов в потоке бурового раствора способствует разрушению арочных структур на перфорационных отверстиях фильтрующей трубы;

- наложение вибраций на корпус и фильтрующую трубу способствует более плотной упаковке осадка в межтрубном и внутритрубном пространстве, что увеличивает время эффективной работы фильтра;

- установка завихрителя потока с конусным отверстием, сужающимся в сторону выхода, способствует ликвидации застойных зон и снижению гидравлического сопротивления потока;

- исполнение завихрителя из эластичного материала способствует уменьшению абразивного износа деталей узла соединения и корпуса.

Технический результат достигается тем, что фильтр гидравлического насоса состоит из корпуса с резьбами на концах, оснащенный соединительными элементами, фильтрующего модуля в виде фильтрующей трубы с перфорационными отверстиями и обтекателем на конце. В осевом канале корпуса установлен завихритель потока, в виде цилиндрической втулки с коническим осевым отверстием, с винтовым спиральным каналом внутри.

Обтекатель снабжен турбулизатором потока в виде стержня, на верхнем конце которого выполнена винтовая спиральная нарезка, а нижний конец имеет форму шара, установленный в расточке обтекателя и поджатого гайкой. В средней части на стержне выполнен ряд поперечных прорезей, размещенных в шахматном порядке, образующих вместе колебательный контур. Расточка обтекателя связана дренажным отверстием, с осевым каналом фильтрующей трубы.

Завихритель потока выполнен из эластичного материала и зафиксирован элементами соединительного узла.

Конструкция фильтра показана в разрезе, где:

- на чертеже - общий вид компоновки, с присоединительными узлами на концах.

Конструкция устройства включает корпус 1, с присоединительными верхним 2 и нижним 3 узлами.

В осевом канале 4 корпуса 1 установлен завихритель потока 5, в виде цилиндрической втулки с осевым коническим отверстием 6, расширяющимся в направлении перфорированной фильтрующей трубы 7. На внутренней конической поверхности завихрителя потока 5 выполнен винтовой спиральный канал 8, для закручивания потока к внутренней стенке корпуса 1. На верхнем конце фильтрующей трубы 7 установлен обтекатель 9 с донышком 10, снабженным турбулизатором потока 11, размещенным в осевом канале 4 корпуса 1. Турбулизатор 11 выполнен в виде колебательного контура 12, представляющего собой стержень 13 с рядом поперечных прорезей 14, размещенных в шахматном порядке по периметру.

На верхнем конце стержня 13 выполнена винтовая спиральная нарезка 15, для направления и закручивания потока, при его подаче в осевой канал верхнего присоединительного узла 2.

Завихритель потока 5 закреплен между элементами верхнего присоединительного узла 2 и корпусом 1 и выполнен из эластичного материала, например резины.

На нижнем конце стержень 13 снабжен шаром 16, который установлен в расточке наконечника 9 и поджат гайкой 17. В донышке 10 обтекателя 9 выполнено дренажное отверстие 18, выходящее в осевой канал 4 корпуса 1. Диаметр дренажного отверстия 18 в донышке 10 сравним с диаметром перфорационных отверстий на фильтрующей трубе 7.

Принцип работы устройства

Присоединительными верхним 2 и нижним 3 узлами устройство устанавливается в составе подающего трубопровода от бурового насоса к бурильной колонне труб, с подачей под давлением бурового раствора в осевой канал фильтрующей трубы 7, откуда через перфорационные отверстия в ее теле поступает в кольцевой зазор между корпусом 1 и фильтрующей трубой 7. Далее поток проходит в осевой канал 4 корпуса 1, откуда поступает в коническое осевое отверстие 6 завихрителя 5 и винтовой паз 8, что приводит к вращению потока, с переходом через осевой канал верхнего соединительного узла 2 в трубопровод.

Это стимулирует колебательные движения на турбулизаторе 11, с возбуждением гидродинамических импульсов в перекачиваемом потоке. Частицы шлама, оседающие в районе перфорационных отверстий внутри фильтрующей трубы 7, не могут создать устойчивую арочную структуру, препятствующую нормальной фильтрации бурового раствора через устройство. При возбуждении в потоке гидродинамических и механических колебаний, за счет работы турбулизатора 11, происходит более плотная упаковка шлама в осевом канале фильтрующей трубы 7.

При полном заполнении осевого канала фильтрующей трубы 7 шламом происходит рост давления в трубопроводе, что служит сигналом для снятия фильтра с места установки и его очистки от шлама.

Колебательные движения турбулизатора 11 проходят как в осевом, так и радиальном направлениях, за счет шарового 16 соединения с обтекателем 9 и наличия поперечных прорезей 14 на теле стержня 13.