Самоочищающийся фильтр

Настоящее изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для оборудования нефтяных и водозаборных скважин в интервале продуктивного пласта.

Из существующего уровня техники известен скважинный фильтр (см. патент на изобретение РФ №2478775, МПК Е21В 43/08 Скважинный фильтр / Третьяк А.Я., Бурда М.Л., Литкевич Ю.Ф. Заявка 2011117922/03 от 04.05.2011; опубл. 10.04.2013 Бюл. №10), выполненный из немагнитного перфорированного каркаса, фильтрующей обмотки из немагнитного шнура и кольцевых постоянных магнитов, расположенных на внешней поверхности фильтра.

Недостатком известного фильтра является то, что после установки фильтра на забой, пространство между магнитами-центраторами заполняется частицами продуктивного пласта, при этом фильтр становится не извлекаемым, кроме того, диаметральные размеры (внутренний и наружный) диаметры кольцевого магнита приводят к необходимости уменьшить диаметр трубы скважинного фильтра по отношению к диаметру пробуренной скважины, что приводит к уменьшению поверхности фильтрации и в конечном итоге, приводит к уменьшению его производительности. Также расчеты показывают, что в зависимости от коэрцитивной силы, напряженности магнитного поля, размеров (ширины) и расстояния между кольцевыми магнитами, они (магниты) могут перекрывать до 30% полезной, фильтрующей площади фильтра, что дополнительно приводит к уменьшению его производительности.

Известен скважинный самоочищающийся фильтр (см. патент на изобретение РФ №2685514, МПК Е21В 43/08 Скважинный самоочищающийся фильтр / Третьяк А.А., Литкевич Ю.Ф., Швец В.В. Заявка 2018113630 от 13.04.2018; опубл. 19.04.2019 Бюл. №11), выполненный из немагнитного перфорированного каркаса, фильтрующей обмотки из немагнитного шнура и кольцевых постоянных магнитов, расположенных внутри фильтра.

Недостатком данного фильтра является то, что постоянные магниты не вращаются, это уменьшает степень омагничивания воды проходящей через фильтр и, следовательно, повышает степень кольматации самого фильтра.

Известен скважинный самоочищающийся фильтр, принятый за прототип, выполненный из немагнитного перфорированного каркаса (см. патент на изобретение РФ №2681773, МПК Е21В 43/08 Скважинный самоочищающийся фильтр / Третьяк А.А., Литкевич Ю.Ф., Швец В.В. Заявка 2018113588 от 13.04.2018; опубл. 12.03.2019 Бюл. №8), фильтрующей обмотки из немагнитного шнура и кольцевых постоянных магнитов, расположенных внутри фильтра и вращающихся при откачке воды насосом, за счет силы от восходящего потока жидкости.

Недостатком данного фильтра являются перфорационные отверстия выполнены без учета гидравлического потока жидкости, что способствует уменьшению коэффициента полезного действия фильтра и насоса.

Задачей изобретения является создание скважинного фильтра с самоочисткой, простого в эксплуатации, не связанного с источником электропитания и имеющего максимальный удельный дебит.

Технический результат - повышение качества фильтрации механических примесей, а также предотвращение закупорки фильтрующих элементов при исключении кольматации в процессе эксплуатации.

Достигается поставленная задача за счет того, что скважинный самоочищающийся фильтр, включающий выполненные из немагнитного материала каркас с отверстиями и кольцевыми постоянными магнитами установленными на расстоянии друг от друга, фильтровую рубашку в виде автономных секций с обмоткой, прокладочными элементами в виде опорных стержней и соединительных элементов, обмотка фильтровой рубашки перфорированного каркаса образована внутренним и внешним слоями в виде немагнитного капронового шнура трапецеидального или волнового профиля, внутренний слой обмотки образован витками, расположенными на расстоянии друг от друга, внешний слой обмотки образован витками плотно расположенными друг к другу или в виде синтетической тканевой сетки, соединительные элементы выполнены в виде верхнего и нижнего переводника, причем верхний переводник выполнен как лево-правый, в нижней части фильтра расположен отстойник, соединенный с нижним переводником и промывочным клапаном, расстояние между кольцевыми постоянными магнитами определяют в зависимости от коэрцитивной силы и напряженности магнитного поля, а витки немагнитного капронового шнура внутреннего слоя обмотки уложенного на перфорированный каркаса меньшим основанием трапециевидного профиля, фильтр дополнительно снабжен несущим немагнитным стержнем, расположенным внутри и соосно каркасу, на несущем немагнитном стержне расположены распорная втулка из немагнитного материала и опора скольжения, на которые насажены кольцевые постоянные магниты выполненные вращающимися с наклонными ребрами, отверстия каркаса выполнены под углом, ось симметрии отверстий образует угол с осью вертикально установленного фильтра изменяющийся от 40° в нижней части фильтра до 30° в верхней части фильтра

Опора скольжения выполнена из материала типа «Маслянит».

На фиг. 1 представлен общий вид самоочищающегося фильтра.

На фиг. 2 показано формирование силы F от восходящего потока жидкости.

На фиг. 3 показан крутящий момент, поворачивающий ребристый магнит.

На фиг. 4 показано моделирование потока струй жидкости.

Самоочищающийся скважинный фильтр, включающий выполненные из немагнитного материала каркас 1 с отверстиями 5 и кольцевыми постоянными магнитами 4, установленными на расстоянии друг от друга, фильтровую рубашку в виде автономных секций с обмоткой 6, прокладочными элементами в виде опорных стержней 12 и соединительных элементов, выполненных в виде верхнего 10 и нижнего 7 переводника, причем верхний переводник выполнен как лево-правый, обмотка фильтровой рубашки 6 каркаса 1 образована внутренним 14 и внешним 6 слоями в виде немагнитного капронового шнура трапецеидального или волнового профиля, внутренний слой 14 обмотки образован витками, расположенными на расстоянии друг от друга, внешний слой 6 обмотки образован витками плотно расположенными друг к другу или в виде синтетической тканевой сетки, в нижней части фильтра расположен отстойник 8, соединенный с нижним переводником 7 и промывочным клапаном 9, расстояние между кольцевыми постоянными магнитами 4 определяют в зависимости от коэрцитивной силы и напряженности магнитного поля, а витки немагнитного капронового шнура внешнего слоя 6 обмотки уложенного на каркас 1 меньшим основанием трапециевидного профиля Фильтр дополнительно снабжен несущим немагнитным стержнем 13, расположенным внутри и соосно каркасу 1. На несущем немагнитном стержне 13 расположены распорная втулка 2 из немагнитного материала и опора скольжения 3, на которые насажены кольцевые постоянные магниты 4, выполненные вращающимися с наклонными ребрами 11, отверстия 5 каркаса 1 выполнены под углом, ось симметрии отверстий 5 образует угол с осью вертикально установленного фильтра и изменяющийся от 40° в нижней до 30° в верхней части фильтра, опора скольжения 3 выполнена из материала типа «Маслянит».

Элементы скважинного самоочищающегося фильтра выполнены из немагнитных материалов: фильтровые трубы на основе сплавов из алюминия, бронзы, латуни, перфорированная полиэтиленовая или пропиленовая труба, опорные немагнитные стержни, капроновый или нейлоновый шнур. Внешним фильтрующим элементом может быть синтетическая тканевая сетка или плотно намотанный капроновый шнур.

Снижение гидростатического сопротивления потока жидкости, происходит за счет того, что немагнитный каркас имеет отверстия, расположенные под углом, причем ось симметрии щелей образует угол с осью вертикально установленного фильтра, а угол наклона отверстий изменяется пропорционально от 40° в нижней части фильтра до 30° в верхней части фильтра. Моделирование гидравлического потока струями окрашенной жидкости позволило установить именно эти углы подхода и выхода жидкости к отверстиям в момент откачки воды из фильтра. Постоянные магниты расположены внутри фильтра с наклонными ребрами и выполнены вращающимися с опорой скольжения типа «Маслянит».

Использование имитационных моделей для решения оптимизации гидродинамических задач течения жидкости в самоочищающемся фильтре с использованием программного пакета Solid Works показано, что оптимальным является угол сверления перфорационных отверстий от 40° в нижней части фильтра до 30° в верхней.

Работает скважинный фильтр следующим образом: При работе откачивающего насоса жидкость проходит через отверстия 5 в каркасе 1 из немагнитного материала и омагничивается кольцевыми постоянными магнитами 4. При пересечении водой магнитных силовых линий постоянных магнитов 4 катионы солей жесткости выделяются не на поверхности фильтровой рубашки 6, а в массе воды уже прошедшей ее за счет того, что магнитное поле поляризует молекулы катионов солей жесткости, содержащиеся в воде, расщепляет их на ионы. Положительно заряженные ионы не соединяются снова в молекулы кальцита, они образуют более пористое соединение арагонит, который легко разрушается и вымывается с потоком воды из внутреннего объема фильтра.

Механизм образования зародышевых кристаллов под действием магнитного поля происходит следующим образом. Магнитное поле оказывает на диполи воды ориентационно-поляризующее действие, в результате чего происходит изменение структуры воды, заключающееся в изменении вида связи диполей воды между собой; возникает двойная водородная связь вместо одинарной и, как результат, отложение солей жесткости на поверхности фильтровой рубашки фильтра не происходит.

Результатом кольматации фильтра является сближение гидратированных ионов Са²⁺ и CO₃ и образование соответствующих сочетаний ионов, а в дальнейшем - молекул. Ионы Са²⁺и СО₃, находящиеся в растворе, присоединяются к этим зародышевым молекулам, образуются местные уплотнения - пересыщения, которые в конечном итоге становятся центрами кристаллизации. Выпадение кольматантов на фильтрах гидрогеологических скважин связано с нарушением химического равновесия в пласте и проходит при отборе подземных вод. Нарушение химического равновесия определяется десорбцией свободной углекислоты вследствие изменения ее парциального давления. Как правило, кольматант многокомпонентный, в его составе присутствует кальцит Са(СО₃), содержит Fe(CO₃), магнезит Mg(CO₃), пирит FeS₂, пиролюзит MnO₂ и другие труднорастворимые соединения, которые забивают фильтровую рубашку и скважины выходят из строя. Устранить отложения кольматанта, повысить удельный дебит скважин и интенсифицировать процесс отбора воды через фильтр гидрогеологических скважин возможно за счет предложенной конструкции скважинного фильтра, то есть воздействовать на катионы солей жесткости постоянным магнитным полем.

Вода, двигаясь вверх внутри фильтра, проходя через кольцевые постоянные магниты, перемагничивается столько раз, сколько магнитов смонтировано внутри фильтра. Постоянное магнитное поле изменяет распределение электронных облаков ионов и поляризует электронные облака молекул воды. При этом изменяется энергия взаимодействия ионов с ближайшими молекулами воды, происходит их поляризация, что приводит к изменению структуры воды в целом и, как результат, отложения кольматанта на фильтрующей поверхности фильтра не происходит.

Вращающееся медленно постоянное знакопеременное магнитное поле создает воздействие на жидкость и тем самым усиливается эффект омагничивания, при этом исключаются отложения кольматанта на поверхности фильтра.